考慮均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)的鋼筋力學(xué)與變形性能

余波，丁自豪，劉陽，陳正

(廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院；b.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室；c.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，南寧 530004)

混凝土中鋼筋時常發(fā)生銹蝕，不僅會減小鋼筋的有效承載面積，而且還會對鋼筋的屈服強度、極限強度、屈服應(yīng)變、極限應(yīng)變等力學(xué)和變形性能產(chǎn)生顯著影響。因此，準(zhǔn)確、全面地分析銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能，對于在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析和安全性評估具有重要意義。

圍繞銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能已開展了大量試驗研究。其中，文獻[1-6]分析了質(zhì)量銹蝕率與銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度、極限應(yīng)變、屈服平臺長度等力學(xué)和變形性能參數(shù)之間的關(guān)系；Kashani等[7]分析了質(zhì)量銹蝕率對受拉鋼筋延性的影響；張偉平等[8-9]分析了平均截面銹蝕率與銹蝕鋼筋的力學(xué)與變形性能之間的關(guān)系。由于上述質(zhì)量銹蝕率和平均截面銹蝕率只能從平均意義上描述鋼筋的銹蝕程度，所以，只適用于均勻銹蝕的情況。然而，混凝土屬于典型的非均質(zhì)材料，其內(nèi)部隨機分布的骨料、孔隙和裂縫等導(dǎo)致混凝土中鋼筋的空間銹蝕分布形態(tài)具有顯著的非均勻性[10-11]。因此，利用最大截面銹蝕率、最小剩余截面積和點蝕因子等特征參數(shù)能夠更加合理地描述鋼筋的非均勻銹蝕程度。對此，羅小勇等[12]、Lu等[13]分析了最大截面銹蝕率與銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能之間的關(guān)系；曲福來等[14]分析了各微段的最大質(zhì)量銹蝕率與銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度和伸長率之間的關(guān)系；孫曉燕等[15]建立了最小剩余截面積相對值與銹蝕鋼筋的屈服強度相對值、極限強度相對值和伸長率之間的關(guān)系；Zhu等[16]分析了最大截面銹蝕率對銹蝕鋼筋延性的影響；Sheng等[17]研究了銹坑形狀、深度和分布對鋼筋的極限強度、屈服強度和伸長率的影響；Tang等[18]分析了最小剩余截面積與銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能之間的關(guān)系；Lu等[19]、Imperatore等[20]分析了面積點蝕因子對銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度和伸長率的影響；Balestra等[21]分析了最小直徑對銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度和伸長率的影響。由此可見，目前的研究成果大多局限于單一或有限的銹蝕特征參數(shù)分析，難以準(zhǔn)確、全面地描述鋼筋的均勻/非均勻銹蝕形態(tài)對力學(xué)和變形性能的影響。因此，有必要進一步開展考慮均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)的鋼筋力學(xué)和變形性能分析研究。

1 鋼筋的加速銹蝕與拉伸試驗

本文試驗與余波等[22]試驗基于同一批試件開展，但二者的試驗內(nèi)容和研究側(cè)重點存在明顯區(qū)別。其中，文獻[22]重點關(guān)注混凝土中鋼筋的空間銹蝕形態(tài)測試裝置和空間銹蝕特征參數(shù)分析方法，而本文重點開展銹蝕鋼筋的單軸拉伸試驗。

1.1 混凝土中鋼筋的加速銹蝕試驗

如圖1所示，共制作45個長、寬和高分別為500、d+30和150 mm的混凝土試件[22]。其中，d為鋼筋直徑?；炷林泄猜裨O(shè)135根鋼筋，包括直徑為8和12 mm的HPB300級光圓鋼筋各18根，直徑為12 mm的HRB400E級帶肋鋼筋18根，以及直徑為16 mm的HRB400E級帶肋鋼筋81根。每個試件沿高度方向等間距放置3根鋼筋。混凝土強度等級為C30，混凝土配合比和鋼筋的性能參數(shù)信息見文獻[22]。待銹蝕鋼筋的長度為450 mm，鋼筋在加工完后經(jīng)過酸洗、烘干、稱重獲取鋼筋銹蝕前的質(zhì)量M0。在混凝土試件的兩端表面涂3層環(huán)氧樹脂，以防止NaCl溶液從混凝土端部滲入混凝土內(nèi)部，待環(huán)氧樹脂凝固后，將試件放入溫度為20±2 ℃、濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護7 d。試驗采用外加直流電的方法加速混凝土中的鋼筋銹蝕，通過控制通電時間可以得到不同銹蝕程度的鋼筋[22]。通電結(jié)束后，對混凝土試件進行破型，取出銹蝕鋼筋，經(jīng)過酸洗、干燥、稱重等步驟，獲取鋼筋銹蝕后的質(zhì)量M1。

圖1 混凝土試件的鋼筋設(shè)置示意圖Fig.1 Illustration of reinforcement arrangement

(1)

(2)

1.2 銹蝕鋼筋的拉伸試驗

圖2 銹蝕鋼筋的荷載位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of corrosion steel

1.3 銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)

(3)

(4)

式中：fy0和fu0分別為未銹蝕鋼筋的名義屈服強度與名義極限強度；αyc和αuc分別為銹蝕鋼筋的名義屈服強度相對值和名義極限強度相對值；Fy0和Fu0分別為未銹蝕鋼筋的屈服荷載和極限荷載；A0為未銹蝕鋼筋的公稱截面積。

圖3 鋼筋銹蝕前后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系示意圖Fig.3 Illustration of stress-strain relationship of steel bars

式(3)中εyc、εuc、εhc和Δεc分別為銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變、極限應(yīng)變、強化應(yīng)變和屈服平臺長度應(yīng)變，可以分別描述為

εyc=εy0×αεy；εuc=εu0×αεu

(5)

Δεc=Δε0×Δε；εhc=Δεc+εyc

(6)

式中：αεy、αεu和Δε分別為銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變相對值、極限應(yīng)變相對值和屈服平臺長度相對值；εy0、εu0和Δε0分別為未銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變、極限應(yīng)變和屈服平臺長度應(yīng)變。

2 銹蝕鋼筋的力學(xué)性能分析

分析了鋼筋的均勻銹蝕特征參數(shù)ηm,a和非均勻銹蝕特征參數(shù)(包括ηs,max、Ps、最大銹蝕深度相對值αd,max=Dmax/d、最小剩余截面積相對值αs,min=Smin/S0)與銹蝕鋼筋的名義屈服強度相對值αyc和名義極限強度相對值αuc之間的相關(guān)性。分析結(jié)果表明，是否對光圓鋼筋和帶肋鋼筋進行分類分析對結(jié)果影響不明顯，但分類后需要針對兩類鋼筋分別建立不同的預(yù)測模型，不便于工程應(yīng)用。綜合考慮計算精度和簡便性，本文暫不區(qū)分鋼筋類別的影響。如圖4和圖5所示，隨著ηm,a、ηs,max和αd,max的增加，αyc和αuc呈線性減小趨勢。其中，αyc和αuc與ηm,a之間預(yù)測方程的斜率絕對值相對較大，說明隨著ηm,a的增加，αyc和αuc下降趨勢較為明顯。同時，隨著αs,min和Ps的增加，αyc和αuc呈線性增加趨勢。其中，與αs,min相比，αyc和αuc與Ps之間預(yù)測方程的斜率相對較大，說明隨著Ps的增加，αyc和αuc增大趨勢更為明顯。

圖4 銹蝕特征參數(shù)與名義屈服強度相對值的相關(guān)性Fig.4 Correlation between corrosion characteristic parametersand relative nominal yield

圖5 銹蝕特征參數(shù)與名義極限強度相對值的相關(guān)性Fig.5 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative nominal ultimate

此外，由于鋼筋銹蝕特征參數(shù)與αyc和αuc之間的預(yù)測方程非常接近，為了便于使用，可以建立鋼筋銹蝕特征參數(shù)與αyc和αuc之間的統(tǒng)一預(yù)測方程，如圖6所示。圖6中，k為名義屈服強度和名義極限強度在鋼筋銹蝕前后的相對值(統(tǒng)稱為名義強度相對值)。

圖6 銹蝕特征參數(shù)與名義強度相對值的相關(guān)性Fig.6 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative nominal

3 銹蝕鋼筋的變形性能分析

3.1 屈服應(yīng)變和極限應(yīng)變

與力學(xué)性能分析類似，暫不考慮鋼筋類別的影響，均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)(包括ηm,a、ηs,max、αd,max、αs,min和Ps)與銹蝕鋼筋的屈服應(yīng)變相對值αεy和極限應(yīng)變相對值αεu之間的相關(guān)性分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，隨著ηm,a、ηs,max和αd,max的增加，αεy和αεu呈線性減小趨勢；隨著αs,min和Ps的增加，αεy和αεu呈線性增加趨勢。其中，αεy和αεu與ηm,a預(yù)測方程的斜率絕對值相對較大，說明隨著ηm,a的增加，αεy和αεu的變化趨勢更為明顯。此外，與αεy相比，銹蝕特征參數(shù)(包括ηm,a、ηs,max、αd,max、αs,min和Ps)與αεu之間預(yù)測方程的斜率絕對值相對更大，說明銹蝕特征參數(shù)對αεu的影響更為顯著。

圖7 銹蝕特征參數(shù)與屈服應(yīng)變相對值之間的相關(guān)性Fig.7 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative yield

圖8 銹蝕特征參數(shù)與極限應(yīng)變相對值之間的相關(guān)性Fig.8 Correlation between corrosion characteristic parameters and relative ultimate

3.2 屈服平臺長度

鋼筋的均勻/非均勻銹蝕特征參數(shù)(包括ηm,a、ηs,max、αd,max、αs,min和Ps)與銹蝕鋼筋的屈服平臺長度相對值Δε之間的相關(guān)性如圖9所示。由圖9可知，Δε隨著ηm,a、ηs,max和αd,max的增加而逐漸降低，隨著αs,min和Ps的增加而逐漸增大。銹蝕鋼筋的屈服平臺長度相對值Δε與銹蝕特征參數(shù)之間的定量關(guān)系，可以確定當(dāng)屈服平臺基本消失(即Δε=0)時各銹蝕特征參數(shù)的臨界值，即當(dāng)ηm,a、ηs,max、αd,max分別大于20%、60%和40%左右或αs,min和Ps分別小于40%和60%左右時，銹蝕鋼筋的屈服平臺基本消失。由此可見，隨著鋼筋銹蝕程度的增加，銹蝕鋼筋的屈服平臺會出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，對于銹蝕嚴重的鋼筋，其屈服平臺可能完全消失。

圖9 銹蝕特征參數(shù)與屈服平臺長度相對值之間的相關(guān)性Fig.9 Correlation betweencorrosion characteristic parameters andrelativeyield plateau

3.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 銹蝕特征參數(shù)與鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)之間的定量關(guān)系Table 1 Quantitative relationship between corrosion characteristic parameters and mechanical/deformation parameters of steel bar

圖10 銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線的試驗值與模型計算值的對比分析Fig.10 Comparison between tested and calculated stress-strain curves of corroded steel

圖11 銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變曲線模型的驗證Fig.11 Validation of stress-strain curves of corroded steel

4 結(jié)論

1)銹蝕鋼筋的力學(xué)和變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的相關(guān)性較大，且隨著質(zhì)量銹蝕率、最大截面銹蝕率和最大銹蝕深度相對值的增加呈現(xiàn)線性減小趨勢，而隨著最小剩余截面積相對值和面積點蝕因子的增大呈現(xiàn)線性增大趨勢。與銹蝕鋼筋的力學(xué)性能參數(shù)相比，銹蝕鋼筋的變形性能參數(shù)與銹蝕特征參數(shù)之間的離散性相對更大。

2)隨著鋼筋銹蝕程度的增加，銹蝕鋼筋的屈服平臺會出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象。當(dāng)質(zhì)量銹蝕率ηm,a、最大截面銹蝕率ηs,max、最大銹蝕深度相對值αd,max分別大于20%、60%和40%左右或最小剩余截面積相對值αs,min和面積點蝕因子Ps分別小于40%和60%左右時，銹蝕鋼筋的屈服平臺基本消失。